JP2010093304A - 白色発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、効率及び色再現性を改善した白色発光装置を提供する。
【解決手段】白色発光装置は、青色と緑色波長の光を発する一つの青色／緑色ＬＥＤ１０１と、赤色波長の光を発する赤色発光手段１０２、１０７、１１２、１５０とを含み、総数２個以下のＬＥＤを使用して４種類以上の波長で白色光を出力する。
【選択図】図３

Description

本発明は、白色発光装置に関し、より詳しくは２個以下のＬＥＤを使用して優れた色再現性及び高い効率を示す白色発光装置に関する。

白色ＬＥＤ装置は、従来の小型ランプまたは蛍光ランプの代りに液晶表示装置のバックライト（ｂａｃｋｌｉｇｈｔ）として使用されている。白色ＬＥＤ装置は青色ＬＥＤの出射面上にセラミック蛍光体層を形成することで製造することができる。

従来の代表的な白色ＬＥＤ装置は、ＧａＮ系青色ＬＥＤとイットリウム・アルミ・ガーネット（ＹＡＧ）系黄色蛍光体を組み合わせることにより実現することができる。青色ＬＥＤから放出された青色光は上記蛍光体を励起させることにより黄色光を放出させる。青色光と黄色光の混色は、観察者には白色光として認識されるようになる。このような白色ＬＥＤは相対的に高い効率と安価という長所を有しているが、色再現性が悪いという短所を有している。

図１はＧａＮ系青色ＬＥＤとＹＡＧ系黄色蛍光体を組み合わせて製造された従来の白色発光装置の発光スペクトラムを示す。図１に示すように、青色領域と黄色領域の光強度は高いが、緑色及び赤色領域には光強度が低く分布されている。そのため、このような白色発光装置では緑色ないし赤色領域は相対的に弱く表現され、演色指数及び色再現性が良好ではない。

また白色ＬＥＤ装置は、青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ及び赤色ＬＥＤを組み合わせることにより実現することができる。図２は青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ及び赤色ＬＥＤを具備する従来の白色ＬＥＤ装置の発光スペクトラムを示す。特に図２では互いに異なる相関色温度（ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｃｏｌｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を表す白色ＬＥＤ装置の発光スペクトラムを示している。このような白色ＬＥＤ装置は比較的優れた色再現性を表すが、消費電力が大きく効率が低い短所を有する。なお、このような発光ＬＥＤ素子は回路構成が複雑で、価格競争力も弱い。

その他にもＬＥＤを使用して白色発光装置を実現する方法として、紫外線ＬＥＤ（ＵＶ ＬＥＤ）と赤色／緑色／赤色蛍光体を組み合わせることがある。このような白色発光装置は色再現性に優れ、かつ安価という長所があるが、効率が低く、商用化段階までは至っていない。したがって、効率及び色再現性に対する要求を全て満たすことが可能である高効率で高色再現性の白色発光装置を開発する必要がある。

本発明は、上記した問題点を解決するためのもので、本発明の目的は高い効率と優れた色再現性を示す高品質の白色発光装置を提供することにある。

上述した技術的課題を達成するために、本発明による白色発光装置は、青色と緑色波長の光を発する一つの青色／緑色ＬＥＤと、赤色波長の光を発する赤色発光手段を含み、総２個以下のＬＥＤを使用して４種類以上の波長で白色光を出力する。

上記青色／緑色ＬＥＤはＩｎＧａＮ系ＬＥＤであることができる。また、上記赤色発光手段はＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤであることができる。これと異なって、上記赤色発光手段は赤色蛍光体または赤色ＰＲＳ（Ｐｈｏｔｏｎ Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）であることもできる。

好ましくは、上記白色発光装置は４４０乃至４７０ｎｍの範囲で青色中心波長を有し、５００乃至５３０ｎｍの範囲で緑色中心波長を有し、５６０乃至５８０ｎｍの範囲で黄色中心波長を有し、６２０乃至６４０ｎｍの範囲で赤色中心波長を有する。より好ましくは、上記白色発光装置は４５０乃至４６０ｎｍの範囲で青色中心波長を有し、５０５乃至５１５ｎｍの範囲で緑色中心波長を有し、５６５乃至５７５ｎｍの範囲で黄色中心波長を有し、６３０乃至６４０ｎｍの範囲で赤色波長を有する。この場合、演色指数が９５以上であり得る。

本発明の一実施形態によれば、上記白色発光装置は黄色蛍光体をさらに含み、上記赤色発光手段は赤色ＬＥＤ、赤色ＰＲＳ及び赤色蛍光体の少なくとも一つを含む。この場合、上記白色発光装置は青色、緑色、黄色及び赤色の混色によって白色光を実現する。好ましくは、上記黄色蛍光体は５４０乃至５９０ｎｍの範囲で中心波長を有する。

本発明の他の実施形態によれば、上記赤色発光手段は琥珀色（ａｍｂｅｒ）と赤色波長の光を発する一つの琥珀色／赤色ＬＥＤである。この場合、上記白色発光装置は青色、緑色、琥珀色及び赤色の混色によって白色光を実現する。

本発明のさらに他の実施形態によれば、上記青色／緑色ＬＥＤは青色及び緑色とともに琥珀色波長の光を発し、上記赤色発光手段は赤色波長の光を発する赤色ＬＥＤである。この場合、上記白色発光装置は２個のＬＥＤを使用して青色、緑色、琥珀色及び赤色の混色によって白色光を実現する。

本発明によれば、２個以下のＬＥＤを使用して４波長以上の広いスペクトラムを有する白色光を出力することで、白色発光装置は優れた色再現性と高い効率を有するようになる。

従来の白色発光装置の一例による発光スペクトラムを示すグラフである。 従来の白色発光装置の他の例による発光スペクトラムを示すグラフである。 本発明の一実施形態による白色発光装置を概略的に示す断面図である。 図３の白色発光装置による発光スペクトラムを示すグラフである。 波長による外部量子効率を示すグラフである。 本発明の他の実施形態による白色発光装置を概略的に示す断面図である。 本発明のさらに他の実施形態による白色発光装置を概略的に示す断面図である。 図７の白色発光装置による発光スペクトラムを示すグラフである。 本発明のさらに他の実施形態による白色発光装置を概略的に示す断面図である。 図９の白色発光装置による発光スペクトラムを示すグラフである。 本発明のさらに他の実施形態による白色発光装置を概略的に示す断面図である。 図１１の白色発光装置による発光スペクトラムを示すグラフである。

以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることが可能であり、本発明の範囲が以下に説明する実施形態に限定されるものではない。本発明の実施形態は、当業界において平均的な知識を有する者にとって本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面での要素等の形状および大きさなどはより明確に説明するために誇張され得、図面上の同一な符号で示す要素は同一な要素である。

図３は本発明の一実施形態による白色発光装置を概略的に示す断面図である。図３を参照すると、白色発光装置１００はパッケージの反射カップ１１０内に実装された青色／緑色ＬＥＤ１０１と、赤色ＬＥＤ１０２と、そして黄色蛍光体１０３とを含む。上記青色／緑色ＬＥＤ１０１は一つのチップとして青色波長の光Ｂと緑色波長Ｇの光を同時に発する。黄色蛍光体１０３はＬＥＤ１０１から発生された光を吸収して黄色光Ｙを発する。赤色ＬＥＤ１０２は赤色波長の光Ｒを発する。好ましくは、青色／緑色ＬＥＤ１０１はＩｎＧａＮ系ＬＥＤであり、赤色ＬＥＤ１０２はＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤである。

青色／緑色ＬＥＤ１０１と赤色ＬＥＤ１０２は、透光性モールディング樹脂１０５によって封止されている。黄色蛍光体１０３の粉末は上記モールディング樹脂１０５に分散している。この黄色蛍光体１０３は、例えば青色光を吸収して黄色光を発するＹＡＧ系黄色蛍光体であり得る。この場合、ＹＡＧ系黄色蛍光体１０３は青色／緑色ＬＥＤ１０１の出力光の一部を吸収して黄色光Ｙを発する。好ましくは、黄色蛍光体１０３は５４０乃至５９０ｎｍの範囲で中心波長（ｐｅａｋ ｗａｖｅ）を有する。

上記のように構成された白色発光装置１００は、上記ＬＥＤ１０１、１０２と黄色蛍光体１０３から発生された青色光、緑色光、黄色光及び赤色光を使用して広い波長範囲の白色光を出力するようになる。特に白色発光装置１００はわずか２個のＬＥＤのみを使用して４波長の可視光を発するので、色再現性及び効率が同時に改善される。

９０以上の演色指数を有する白色光を実現するために、白色発光装置１００の発光スペクトラムは４４０乃至４７０ｎｍの青色中心波長と、５００乃至５３０ｎｍの緑色中心波長と、５６０乃至５８０ｎｍの黄色中心波長と、６２０乃至６４０ｎｍの赤色中心波長とを有することが好ましい。より好ましくは、青色中心波長が４５０乃至４６０ｎｍで、緑色中心波長が５０５乃至５１５ｎｍで、黄色中心波長が５６５乃至５７５ｎｍで、赤色中心波長が６３０乃至６４０ｎｍである。この場合、９５以上の演色指数を有する高品質の白色発光装置を実現することができる。

上記好ましい範囲において各波長の領域別に中心波長を有することによって、高い演色指数（または色再現性）を得ることができるだけでなく、白色発光装置１００の電力効率及び光効率もさらに改善させることが可能である。特に、青色／緑色ＬＥＤ１０１がＩｎＧａＮ系ＬＥＤで、赤色ＬＥＤ１０２がＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤである場合、４７０ｎｍ以下の短い中心波長を有する青色／緑色ＬＥＤ１０１と６２０ｎｍ以上の長い中心波長を有する赤色ＬＥＤ１０２を使用することにより白色発光装置１００の効率をさらに向上させることができる。これは図５から確認できる。

図５はＩｎＧａＮ系ＬＥＤとＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤの波長による外部量子効率を示すグラフである。図５に示すように、ＩｎＧａＮ系ＬＥＤでは波長（中心波長）が短いほど外部量子効率が高く、ＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤでは波長（中心波長）が長いほど外部量子効率が高い。４７０ｎｍ以下の中心波長を有するＩｎＧａＮ系青色／緑色ＬＥＤと６２０ｎｍ以上のＩｎＧａＡｌＰ系赤色ＬＥＤとともに、黄色領域の光を発するＹＡＧ系蛍光体を使用することで、全体可視光領域に亘って高い効率を得ることができ、５０ｌｍ／Ｗ以上の高輝度で、高効率の白色発光装置を実現することができる。

図４は図３の白色発光装置の発光スペクトラムを示すグラフである。図４に示すように、白色発光装置１００の発光スペクトラムは４５５ｎｍ、５１０ｎｍ、５７０ｎｍ及び６３５ｎｍにおいてそれぞれ青色、緑色、黄色及び赤色領域の中心波長を有する。このような４波長の広い可視光スペクトラムは高い色再現性と演色指数を表すことができる。これにより、上記白色発光装置１００から自然光に近い高品質の白色光が得られることを確認することができる。

図６は、本発明のさらに他の実施形態による白色発光装置を示す。図６に示すように、本実施形態の白色発光装置２００は、赤色ＬＥＤの代りに赤色光を発する赤色ＰＲＳ（Ｐｈｏｔｏｎ Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）１１２を含むという点で、前述した白色発光装置１００と異なる。

一般的にＰＲＳは蛍光体と同じく電圧印加なしに異なる光源の光を吸収して異なる波長の光を発する。しかし、ＰＲＳは蛍光体と異なって半導体物質から成る。このような赤色ＰＲＳ１１２は青色／緑色ＬＥＤ１０１の光出射面上に配置され、上記ＬＥＤ１０１から発生された青色光（または緑色光）を吸収して赤色光Ｒを発する。わずか１個のＬＥＤ（青色／緑色ＬＥＤ１０１）を使用して４種類の波長の広いスペクトラムを有する白色光を出力することによって、白色発光装置２００は高い効率と優れた色再現性を表す。

図７は本発明のさらに他の実施形態による白色発光装置３００を示す。本実施形態の白色発光装置３００は、赤色ＬＥＤの代りに赤色蛍光体１０７を含むという点で、前述した白色発光装置１００と異なる。

図７に示すように、青色／緑色ＬＥＤ１０１、黄色蛍光体１０３及び赤色蛍光体１０７はそれぞれ青色及び緑色、黄色、そして赤色を発することで、４種類波長の広い可視光スペクトラムを得るようになる。本実施形態でもわずか１個のＬＥＤ（青色／緑色ＬＥＤ１０１）を使用して４種類の波長で白色光を出力することによって、白色発光装置３００は高い効率と優れた色再現性を表す。適切な赤色蛍光体としてはＳｒ_ｘＣａ_１−ｘＳ：Ｅｕ^２＋（ｘは０以上、１以下である）を使用することができる。Ｓｒ_ｘＣａ_１−ｘＳ：Ｅｕ^２＋蛍光体は青色光を吸収して赤色光を発する。

図８は図７の白色発光装置３００の発光スペクトラムを示す。図８に示すように、発光スペクトラムは４５０ｎｍ、４９３ｎｍ、５７０ｎｍ及び６１５ｎｍにおいてそれぞれ青色、緑色、黄色及び赤色領域の中心波長を有する。このように４種類の波長領域においてそれぞれ中心波長を有することによって、白色発光装置３００は高い色再現性と演色指数を現すことを確認することができる。

図９は本発明のさらに他の実施形態による白色発光装置を示す。図９を参照すると、白色発光装置４００はパッケージ反射カップ内に実装された青色／緑色ＬＥＤ１０１と、琥珀色／赤色ＬＥＤ１５０とを含む。従って、本実施形態では、２個のＬＥＤ（青色／緑色ＬＥＤと、琥珀色／赤色ＬＥＤ）から青色光Ｂ、緑色光Ｇ、琥珀色光Ａ及び赤色光Ｒが放出される。わずか２個のＬＥＤを使用して４種類波長の広いスペクトラムを有する白色光を出力することによって、白色発光装置４００は高い効率と優れた色再現性を表す。

図１０は図９の白色発光装置４００の発光スペクトラムを示す。図１０に示すように、発光スペクトラムは４５８ｎｍ、５２５ｎｍ、５９０ｎｍ及び６４０ｎｍにおいてそれぞれ中心波長を有する。このように４種類波長の広い可視光領域においてそれぞれ中心波長を有することによって、白色発光装置４００は高い色再現性と演色指数を表すことを確認することができる。

図１１は本発明のさらに他の実施形態による白色発光装置を示す。図１１を参照すると、白色発光装置５００はパッケージ反射カップ内に実装された青色／緑色ＬＥＤ１７０と赤色ＬＥＤ１０２とを含む。前述した実施形態と異なって、上記青色／緑色ＬＥＤ１７０は青色光及び緑色光を発するだけでなく、琥珀色光も発する。即ち、上記青色／緑色ＬＥＤ１７０は青色、緑色及び琥珀色の３波長光を発する３波長ＬＥＤに該当する。このような３波長ＬＥＤは、多重量子井戸の活性層内でＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を変造させることにより実現され得る。

青色／緑色ＬＥＤ１７０が発する青色Ｂ、緑色Ｇ及び琥珀色光Ａと赤色ＬＥＤ１０２が発する赤色光Ｒが混色されることによって、４波長の広いスペクトラムを有する高品質の白色光が得られるようになる。白色発光装置５００の発光スペクトラムは図１２に示されている。図１２に示すように、白色発光装置５００は４５０ｎｍ、５００ｎｍ、５７０ｎｍ及び６３５ｎｍにおいてそれぞれ中心波長を有することによって、４波長の高品質の白色光を出力するようになる。

なお、図９及び図１１に示された実施形態の白色発光装置４００、５００において、図示されていないが、透光性モールディング樹脂を反射カップ１１０を覆って設けることもできる。

本発明は、上述した実施形態及び添付された図面によって限定されるものではなく、添付された請求範囲により限定しようとする。従って、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において多様な形態の置換、変形及び変更が可能であることは当該技術分野の通常の知識を有する者にとって自明である。

１００、２００、３００、４００、５００ 白色発光装置
１０１ 青色／緑色ＬＥＤ
１０２ 赤色ＬＥＤ
１０３ 黄色蛍光体
１０５ モールディング樹脂
１０７ 赤色蛍光体
１１０ 反射カップ
１１２ 赤色ＰＲＳ
１５０ 琥珀色／赤色ＬＥＤ
１７０ 青色／緑色／琥珀色ＬＥＤ

Claims (12)

1. 青色と緑色波長の光を発する一つの青色／緑色ＬＥＤと、
   赤色波長の光を発する赤色発光手段とを含み、
   総数２個以下のＬＥＤを使用して４種類以上の波長で白色光を出力することを特徴とする白色発光装置。
2. 前記青色／緑色ＬＥＤはＩｎＧａＮ系ＬＥＤであることを特徴とする、請求項１に記載の白色発光装置。
3. 前記赤色発光手段はＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤであることを特徴とする、請求項１に記載の白色発光装置。
4. 前記赤色発光手段は赤色蛍光体であることを特徴とする、請求項１に記載の白色発光装置。
5. 前記赤色発光手段は赤色ＰＲＳであることを特徴とする、請求項１に記載の白色発光装置。
6. 前記白色発光装置は４４０乃至４７０ｎｍの範囲で青色中心波長を有し、５００乃至５３０ｎｍの範囲で緑色中心波長を有し、５６０乃至５８０ｎｍの範囲で黄色中心波長を有し、６２０乃至６４０ｎｍの範囲で赤色中心波長を有することを特徴とする、請求項１に記載の白色発光装置。
7. 前記白色発光装置は４５０乃至４６０ｎｍの範囲で青色中心波長を有し、５０５乃至５１５ｎｍの範囲で緑色中心波長を有し、５６５乃至５７５ｎｍの範囲で黄色中心波長を有し、６３０乃至６４０ｎｍの範囲で赤色波長を有することを特徴とする、請求項１に記載の白色発光装置。
8. 演色指数が９５以上であることを特徴とする、請求項７に記載の白色発光装置。
9. 黄色蛍光体をさらに含み、
   前記赤色発光手段は赤色ＬＥＤ、赤色ＰＲＳ及び赤色蛍光体の少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の白色発光装置。
10. 前記黄色蛍光体は５４０乃至５９０ｎｍの範囲で中心波長を有することを特徴とする、請求項９に記載の白色発光装置。
11. 前記赤色発光手段は琥珀色と赤色波長の光を発する一つの琥珀色／赤色ＬＥＤであることを特徴とする、請求項１に記載の白色発光装置。
12. 前記青色／緑色ＬＥＤは青色及び緑色とともに琥珀色波長の光を発し、
    前記赤色発光手段は赤色波長の光を発する赤色ＬＥＤであることを特徴とする、請求項１に記載の白色発光装置。

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